CN112284302A - 扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置及方法，该发明利用分光棱镜的分光功能，将CCD与光纤端面等距离的固定到分光镜两侧，在平行光管焦面处同时实现接收光束的成像和激光的发射，组合成一个收发同轴模块；利用角锥棱镜的自校准功能标定收发同轴模块的收发同轴点，以收发同轴点为基准，通过高精度的方位、俯仰旋转台分别标定出主动光电系统的接收及发射的光轴，通过计算便可得到同轴度偏差。该发明操作过程简单、定标方法简单，可以充分利用现有实验仪器进行测量。

Description

扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置及方法，适用于主动激光光电系统的同轴度测试，也可用于激光光学系统的光轴配准等光学装调领域。
背景技术
激光雷达属于主动式的光学遥感技术的应用之一，是通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感系统。激光雷达所用的电磁波段比以往传统雷达使用的微波和毫米波要短的多，主要使用近红外，可见及紫外等波段，因此激光光束发散角可以很小，达到很高的角分辨率。目前已成为一种重要的主动遥感工具。
激光雷达系统多采用收发光路一体化设计，激光发射系统由激光器及准直器组成，接收镜头、光学接收器和数据处理单元组成接收系统。由于发射激光光束发散角接近衍射极限的特性给激光雷达光学系统的装调和测试带来了一定难度，收发光路同轴的误差度测量便是其中一项。光学系统的复杂度，集成度不断提高，对光学系统的精度稳定度都提出了更高的要求，收发光路同轴度的误差将直接影响激光雷达系统的可靠性和测量精度，直接决定收发光路是否能建立，这就要求对收发光路同轴的误差度进行检测，得到同轴度差值，从而确定光学系统是否满足使用要求。
本发明利用了分光棱镜的分光功能，在平行光管焦面处同时实现接收光束的成像和点光源的发射，组合成一个固定收发一体的焦面模块；同时利用角锥棱镜的自校准功能标定点光源对应的收发同轴点，调整待测主动光电系统发射端的方位俯仰坐标，激光光斑会聚于收发同轴点，此时平行光管发射光束和待测主动光电系统发射端的发射光束同轴，以此为基准；再利用高精度方位俯仰旋转台来改变待测主动光电系统接收端的方位俯仰角度，通过方位方向和俯仰方向光束信号的有无来找到待测主动光电系统接收端的光轴。该发明操作过程简单、定标方法简单，可以充分利用现有实验仪器进行测量，同时适用于各种主被动结合的光电系统收发同轴检测及装调等领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置及方法，本发明装置如附图1所示：
单模光纤1发射激光，光源首先经过分光棱镜3，然后进入平行光管8以平行光束出射，平行光经过角锥棱镜7后沿原路返回，返回光经过平行光管8会聚后，经过分光棱镜3反射后成像于CCD相机2上，记录该光斑位置，为收发光轴点；待测主动光电系统发射端4发射激光，通过调节高精度方位俯仰旋转台6，使得激光经过平行光管8后成像于CCD相机2的收发光轴点处，此时记录高精度方位俯仰旋转台6的位置；从单模光纤1引入待测主动光电系统接收端5的接收激光，该激光经过平行光管8准直后进入待测主动光电系统接收端5；此时待测主动光电系统接收端5有信号输出，通过调节高精度方位俯仰旋转台6的角度，扫描出待测主动光电系统接收端5的光轴中心，并记录此时高精度方位俯仰旋转台6的位置，两个位置的偏差即为待测主动光电系统收发光学系统的同轴度误差。
本发明装置可以用于主动光电系统的收发同轴平行误差度测量，该方法由以下步骤组成：
1、平行光管装置自检
如附图1所示，单模光纤1向平行光管8引入激光光源，单模光纤的光源首先经过分光棱镜3，然后进入平行光管8以平行光束出射，平行光经过角锥棱镜7后沿原路返回，返回光经过平行光管8会聚至焦面，调整单模光纤1的位置，观察角锥棱镜7的返回光在CCD相机2上成像的大小和位置，调整单模光纤1的位置，使CCD相机2上的光斑最小，位置处于中心附近。记录此点为收发光轴点。
2、发射光束对准
如附图1所示，待测主动光电系统发射端4发射激光，激光经过平行光管8会聚，通过调节高精度方位俯仰旋转台6的方位、俯仰角度，使得激光成像于CCD相机2上，精细调节角度使此光斑和步骤1中的收发光轴点重合，记录此时高精度方位俯仰旋转台6的方位角度θx0和俯仰角度θy0，完成待测主动光电系统发射光束与平行光管发射光束的对准，此时平行光管8出射激光光轴与待测主动光电系统发射端4的激光光轴同轴。
3、光束接收端的误差度检测
如附图1所示，待测主动光电系统接收光束的同轴度误差检测：从单模光纤1引入待测主动光电系统接收端5的接收激光，该激光经过平行光管8准直后进入待测主动光电系统接收端5内，此时待测主动光电系统接收端5有信号输出。首先保持高精度方位俯仰旋转台6的俯仰角度不变，只转动方位坐标，首先顺时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θrx；然后逆时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θlx；将高精度方位俯仰旋转台6的方位角度调节至
Figure BDA0002682130380000031
并保持不变，再转动高精度方位俯仰旋转台6的俯仰坐标，首先往上调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θry；然后往下调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θly；再将高精度方位俯仰旋转台6的俯仰角度调节至
Figure BDA0002682130380000041
如图2所示，此时待测主动光电系统接收端5的接收中心(θx1，θy1)(高精度方位俯仰旋转台的角度)为：
Figure BDA0002682130380000042
4、同轴误差度计算
经过步骤3后，可以得到待测主动光电系统发射端4和待测主动光电系统接收端5之间的同轴度偏差(δx，δy)(角度偏差)为：
δx＝θx0-θx1，δy＝θy0-θy1
本发明可以对不同偏移量的光学系统同轴度误差进行测量，得到相应的同轴度偏差，该发明的特点主要体现在：
1)本发明装置方法简单，操作方便；
2)本发明测试方便，充分利用已有设备，可以准确得到光学系统的收发同轴的偏差，且该发明装置自检方法简单有效；
3)本发明可满足不同偏移量的光轴平行度装校，也可以满足同轴光电系统的装校及测试。
附图说明
图1为主动光电系统的收发同轴度误差测量原理图
图2为方位和俯仰调节方法示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)单模光纤1：采用Thorlabs公司型号为SM980的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为900-1100nm；光纤模场直径为6um@980nm，包层芯径125±1um；
2)CCD相机2：采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200；
3)分光棱镜3：采用Thorlabs公司带结构的型号为BS017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm，分光比为1：1，通光口径为20mm；
4)待测光学系统：待测主动光电系统发射端5与待测主动光电系统接收端6组成，所述待测主动光电系统发射端5的波长为1064nm，待测主动光电系统接收端6用于接收信号,待测主动光电系统接收端6采用APD探测器接收信号,光谱响应范围为400-1100nm。
5)方位俯仰旋转台6：采用定制的高精度俯仰旋转台，俯仰可调节范围±5°精度为1″；方位可调节范围±10°精度为1″。
6)角锥棱镜7：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/10@632.8nm；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm，透光范围为400-1100；
7)平行光管8：采用普通的反射式平行光管，望远镜口径为400mm，望远镜焦距为4m，抛物面面型要求RMS优于1/20λ@632.8nm；
本发明装置的示意图如图1所示，具体步骤如下：
1、平行光管装置自检：如附图1所示，单模光纤1向平行光管8发射1064nm激光，激光首先经过分光棱镜3，然后进入平行光管8以平行光束出射，平行光经过角锥棱镜7后沿原路返回，返回光经过平行光管8会聚至焦面，调整单模光纤1的位置，观察角锥棱镜7的返回光在CCD相机2上成像的大小和位置，调整单模光纤1的位置，使CCD相机2上的光斑最小，位置处于中心附近。记录此点为收发光轴点。
2、发射光束对准：待测主动光电系统发射端4发射1064nm激光，激光经过平行光管8会聚，通过调节高精度方位俯仰旋转台6的方位、俯仰角度，使得激光成像于CCD相机2上，精细调节角度使此光斑和步骤1中的收发光轴点重合，记录此时高精度方位俯仰旋转台6的方位角度θx0和俯仰角度θy0，完成待测主动光电系统发射光束与平行光管发射光束的对准，此时平行光管8出射激光光轴与待测主动光电系统发射端4的激光光轴同轴。
3、光束接收端的误差度检测：待测主动光电系统接收光束的同轴度误差检测：单模光纤1发射1064nm激光，该激光经过平行光管8准直后进入待测主动光电系统接收端5内，此时待测主动光电系统接收端5有信号输出。首先保持高精度方位俯仰旋转台6的俯仰角度不变，只转动方位坐标，首先顺时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θrx；然后逆时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θlx；将高精度方位俯仰旋转台6的方位角度调节至
Figure BDA0002682130380000061
并保持不变，再转动高精度方位俯仰旋转台6的俯仰坐标，首先往上调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θry；然后往下调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θly；再将高精度方位俯仰旋转台6的俯仰角度调节至
Figure BDA0002682130380000062
如图2所示，此时待测主动光电系统接收端5的接收中心(θx1，θy1)(高精度方位俯仰旋转台的角度)为：
Figure BDA0002682130380000071
4、同轴误差度计算：经过步骤3后，可以得到待测主动光电系统发射端4和待测主动光电系统接收端5之间的同轴度偏差(δx，δy)(角度偏差)为：
δx＝θx0-θx1，δy＝θy0-θy1。

Claims (5)

1.一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置，包括单模光纤(1)、CCD相机(2)、分光棱镜(3)、待测主动光电系统发射端(4)和待测主动光电系统接收端(5)、高精度方位俯仰旋转台(6)、角锥棱镜(7)、平行光管(8)，其特征在于：
单模光纤(1)和CCD相机(2)等距离固定于分光棱镜(3)的两侧，放置在平行光管(8)焦面位置，所述的单模光纤(1)和CCD相机(2)与待测主动光电系统发射端(4)发射激光相匹配。将单模光纤(1)、CCD相机(2)及分光棱镜(3)组成的收发同轴模块放置在平行光管(8)焦面位置，单模光纤(1)引入激光，光源首先经过分光棱镜(3)，然后进入平行光管(8)以平行光束出射，平行光经过角锥棱镜(7)后沿原路返回，返回光经过平行光管(8)会聚成像到CCD相机(2)上，记录该光斑位置，为收发光轴点；待测主动光电系统发射端(4)发射激光，调节高精度方位俯仰旋转台(6)，使得激光经过平行光管(8)后成像于CCD相机(2)的收发光轴点处，记录此时高精度方位俯仰旋转台(6)的位置；从单模光纤(1)发出待测主动光电系统接收端(5)同波段的激光，该激光经过平行光管(8)准直后进入待测主动光电系统接收端(5)；此时待测主动光电系统接收端(5)有信号输出，通过调节高精度方位俯仰旋转台(6)，扫描出待测主动光电系统接收端(5)的光轴中心，并记录此时高精度方位俯仰旋转台(6)的位置，两个位置的偏差即为待测主动光电系统收发同轴度误差。
2.根据权利要求1所述的一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置，其特征在于：所述的分光棱镜(3)工作波段为700-1100nm，分光比为1：1，通光口径为20mm；对使用波长的分光比介于4:6与6:4之间，通光面面形偏差RMS值优于λ/10@632.8nm。
3.根据权利要求1所述的一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置，其特征在于：所述的高精度方位俯仰旋转台(6)的度数精度优于系统测试精度的要求，俯仰可调节范围±5°精度为1″；方位可调节范围±10°精度为1″。
4.根据权利要求1所述的一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置，其特征在于：所述的角锥棱镜(7)的回转精度小于3″。
5.一种基于权利要求1所述的一种扫描法测量主动光电系统激光收发同轴度的装置的同轴度测量方法，其特征的方法步骤如下：
1)平行光管装置自检：单模光纤(1)向平行光管(8)引入激光光源，光源首先经过分光棱镜(3)，然后进入平行光管(8)以平行光束出射，平行光经过角锥棱镜(7)后沿原路返回，返回光经过平行光管(8)会聚至焦面，调整单模光纤(1)的位置，观察角锥棱镜(7)的返回光在CCD相机(2)上成像光斑的大小和位置，使CCD相机(2)上的光斑最小，位置处于中心附近。记录此点为收发光轴点；
2)待测主动光电系统发射光束对准：待测主动光电系统发射端(4)发射激光，通过调节高精度方位俯仰旋转台(6)的方位、俯仰角度，使得激光经过平行光管(8)会聚成像在CCD相机(2)上，精细调节角度使此光斑和步骤1)中的收发光轴点重合，记录此时高精度方位俯仰旋转台(6)的方位角度θx0和俯仰角度θy0，完成待测主动光电系统发射光束与平行光管发射光束的对准；
3)待测主动光电系统接收光束的同轴度误差检测：单模光纤(1)发射激光，该激光经过平行光管(8)准直后进入待测主动光电系统接收端(5)内，此时待测主动光电系统接收端(5)有信号输出；首先保持高精度方位俯仰旋转台(6)的俯仰角度不变，只转动方位坐标，首先顺时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θrx；然后逆时针调节方位角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θlx；将高精度方位俯仰旋转台(6)的方位角度调节至
Figure FDA0002682130370000031
并保持不变，再转动高精度方位俯仰旋转台(6)的俯仰坐标，首先往上调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θry；然后往下调节俯仰角度，直到接收信号消失，记录此时方位角度θly；再将高精度方位俯仰旋转台(6)的俯仰角度调节至
Figure FDA0002682130370000032
则待测主动光电系统接收端(5)的接收中心(θx1，θy1)，高精度方位俯仰旋转台的角度为：
Figure FDA0002682130370000033
4)同轴度偏差计算：经过步骤3)后，可以得到待测主动光电系统发射端(4)和待测主动光电系统接收端(5)之间的同轴度角度偏差(δx，δy)为：
δx＝θx0-θx1，δy＝θy0-θy1。
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